金属的腐蚀,按机理可分为物理腐蚀、化学腐蚀与电化学腐蚀三种。金属的物理溶解属于物理腐蚀。化学腐蚀是指在介质中直接发生的化学作用,即金属同介质中离子直接交换电荷。电化学腐蚀是金属在电介质中,由于电极反应而发生的腐蚀。在许多电化学腐蚀过程中,有一种金属与另一种金属共同参与,或者金属内部各不同相的组成物共同参与,即形成所谓电偶腐蚀。此种情况下,一种金属构成阳极受腐蚀而发生溶解,另一种金属构成阴极而发生还原反应,这是电化学腐蚀的特点。
不锈钢耐腐蚀的主要机理是不锈钢表面能与氧气结合产生一层致密的钝化膜,一方面阻止钢与介质的直接接触,另一方面阻碍其离子交换和电荷交换的速度,从而延缓腐蚀的发生速度。一种不锈钢可在许多介质中具有良好的耐蚀性,但在另外某种介质中,却可能因化学稳定性低而发生腐蚀。所以说,一种不锈钢不可能对所有介质都耐蚀。
不锈钢的主要腐蚀形式从腐蚀形态上来分有:①、均匀腐蚀(表面腐蚀)。②、点腐蚀。③、缝隙腐蚀。④、晶间腐蚀。⑤、应力腐蚀。在实际应用中也可能几种腐蚀形式相互穿插存在。
1、 均匀腐蚀;是指接触腐蚀介质的金属表面全部产生腐蚀的现象。均匀腐蚀使金属截面不断减少,对于被腐蚀的受力零件而言,会使其承受的真实应力逐渐增加,最终达到材料的断裂强度而发生断裂。评定均匀腐蚀的方法是在试验条件下,测出单位面积上经一定时间腐蚀以后所损失的重量(g/㎡·年)即为腐蚀速率,参照这个数据,则便于计算设备的耐蚀寿命。根据腐蚀率计算划分耐蚀等级。在实际工作中,可进行不锈钢材料在介质中的挂件试验,根据一定时间内的损失重量来计算腐蚀率,这是一个最简便实用的方法。
2、 点腐蚀;点腐蚀是指在金属材料表面大部分不腐蚀或腐蚀轻微,而分散发生高度的局部腐蚀,常见蚀点的尺寸小于1.0mm,深度往往大于表面孔径,轻者有较浅的蚀坑,严重的甚至形成穿孔。点腐蚀是金属表面局部钝化膜被腐蚀破坏所致。首先形成腐蚀坑,然后从外向内深入发展,属于局部腐蚀。点腐蚀是不锈钢常见的腐蚀破坏类型之一。它是在介质作用下,由于表面有一些缺陷,如夹杂物、贫铬区、晶界、位错在表面暴露出来,使钝化膜在这些地方首先破坏,从而该局部遭到严重阳极腐蚀。在含有氯离(CL¯)的介质中,最易引起不锈钢的点腐蚀。目前,防止不锈钢点腐蚀破坏的途径有几个方面:①、减少介质中氯离含量,增加介质中的含氧量。②、加入缓蚀剂(如CU+、NO3-、SO4-等),降低介质温度。③、在不锈钢中加入钼、锰、硅、钒或稀土元素合金化,能有效地增大抗点蚀的可能。④、尽量不进行冷加工,以减少位错露头处发生点蚀的可能。⑤、降低钢中碳的含量,提高铬、镍含量,都能提高其抗点蚀能力。现有的超低碳高铬镍含钼的奥氏体不锈钢和超高纯低氮含钼的高铬铁素体不锈钢均有较高的耐点腐蚀性能。
3、 缝隙腐蚀;缝隙腐蚀是指在金属构件缝隙处发生斑点状或溃疡形的宏观蚀坑,这是局部腐蚀的一种。常发生在垫圈、铆接、螺钉联接的接缝处、搭接的焊接接头、阀座、堆积的金属片间等处。由于连接的缝隙处被腐蚀产物覆盖以及介质扩散受到限制等原因,导致该处的介质成分和浓度与整体相比有很大差别,形成“闭塞电池腐蚀”作用。这与点腐蚀形成机理的差异之处在于,缝隙腐蚀主要是介质的电化学不均而引起的。部分奥氏体型不锈钢、铁素体型和马氏体型不锈钢在海水中均有程度不等的缝隙腐蚀的倾向。在钢中适当地增加铬、镍含量,可以改善抗缝隙复腐蚀能力。
4、 晶间腐蚀;晶间腐蚀是一种有选择性的腐蚀破坏,它与一般选择性腐蚀不同之处在于腐蚀的局部性是显微尺寸的,而宏观上不一定是局部的。此腐蚀集中发生在金属显微组织晶界并向金属材料内部深入,称之晶间腐蚀。这种类型腐蚀发生以后,有时从外观上不易被察觉,但由于晶界区因腐蚀已遭到破坏,晶粒之间的结合强度几乎完全表失。腐蚀深度较大者可失去金属声,构件有效承载截面大减而导致过载断裂。受腐蚀严重的金属甚至形成粉末,从构件上脱落下来。这是一种危害性很大的腐蚀破坏。奥氏体型不锈钢会发生晶间腐蚀是由于这类钢加热到600~800℃温度区间会产生敏化,其机理是过饱和固溶的碳向晶粒边界扩散,与晶界附近的铬结合形成为铬的碳化物(CrFe23C6)并在晶界沉淀析出。由于碳比铬的扩散快得多,铬来不及从晶内补充到晶界附近,因而晶界区贫铬而形成晶间腐蚀。在某些超低碳含钼奥氏体型不锈钢中,在敏化温度区间的晶界析出铬含量很高的δ相,其邻近区也会贫铬,贫铬的金属在腐蚀介质作用下,首先被腐蚀溶解。这些都是金属出现晶间腐蚀的原因。铁素体型不锈钢也有形成晶间腐蚀的倾向。
5、 应力腐蚀;应力腐蚀是指金属在某种特定环境与相应水平应力的共同作用下,以裂纹扩展方式发生的与腐蚀有关的断裂。特定环境下无应力或应力水平太低,不会引起应力腐蚀。同样有相当水平应力而无特定环境也不会发生应力腐蚀。所谓特定环境,是指只有当介质的成份和浓度范围适当时,才能导致某种相应金属的应力腐蚀。20世纪60年代以来,许多不锈钢焊接构件因应力腐蚀断裂事故不断发生,断裂的模式是完全脆性的。在裂纹缓慢伸展过程中不出现任何其它的宏观症候,一旦达到瞬断截面立即快速断裂。往往造成灾难性事故,其危害性极大,因此,应当成为十分重视的课题。